DE102012217800A1

DE102012217800A1 - Diffraktives optisches Element sowie Messverfahren

Info

Publication number: DE102012217800A1
Application number: DE102012217800.7A
Authority: DE
Inventors: Jochen Hetzler
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-03
Also published as: EP2901101A2; WO2014048574A3; US20150198438A1; WO2014048574A2; KR20150046282A; KR20180069923A; CN104685317B; CN107816939B; CN107816939A; KR101869141B1; JP2015535930A; JP2017167133A; JP6105731B2; EP2901101B1; JP6462025B2; KR102056552B1; CN104685317A; JP2019090819A

Abstract

Ein diffraktives optisches Element (50) mit einem Substrat (52) sowie einem darauf angeordneten diffraktiven Strukturmuster (54) wird bereitgestellt. Das diffraktive Strukturmuster ist dazu konfiguriert, eine eingestrahlte ebene oder sphärische Eingangswelle (42) in mindestens vier separate Ausgangswellen umzuwandeln, wobei mindestens eine der Ausgangswellen eine nicht-sphärische Welle (56), mindestens eine weitere der Ausgangswellen eine sphärische Welle (58; 70) und mindestens zwei weitere der Ausgangswellen jeweils eine ebene Welle (60) oder eine sphärische Welle (72, 74) sind.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Abweichung einer tatsächlichen Form von einer Sollform einer optischen Oberfläche eines optischen Elements, ein diffraktives optisches Element zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements sowie ein derartiges optisches Element.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Abweichung einer tatsächlichen Form von einer Sollform ist beispielsweise in US 2010/0177321 A1 beschrieben. Diese Vorrichtung umfasst ein Interferometer zum Erzeugen einer Messwelle, deren Wellenfront mittels eines Beugungsgitters an eine asphärische Sollform der optischen Oberfläche angepasst wird. Die Wellenfront der angepassten Messwelle wird nach Reflexion an der optischen Oberfläche interferometrisch ausgewertet und dabei die Abweichung der tatsächlichen Form der optischen Oberfläche von deren Sollform bestimmt.
Das Beugungsgitter kann hierbei beispielsweise ein computergeneriertes Hologramm (CGH) sein, welches dadurch erzeugt wird, daß der Aufbau des Interferometers durch ein geeignetes Rechenverfahren, wie etwa ein ray tracing-Verfahren, simuliert wird und hierbei eine Phasenfunktion des Beugungsgitters derart errechnet wird, daß dieses eine gewünschte Funktion in dem Strahlengang der Interferometeranordnung aufweist. Aus der errechneten Phasenfunktion des Beugungsgitters kann dieses dann hergestellt werden.
Die Genauigkeit der Formvermessung hängt von der Genauigkeit des CGH's ab. Entscheidend dabei ist nicht die möglichst exakte Herstellung, sondern eine möglichst exakte Vermessung aller möglichen Fehler im CGH. Bekannte Fehler können bei der Formvermessung des Prüflings heraus gerechnet werden. Das CGH bildet somit die Referenz. Während bei rotationssymmetrischen Asphären eine Absolutkalibrierung aller nicht rotationssymmetrischen Fehler möglich ist, schlagen bei Freiformflächen, d. h. nicht-sphärischen Flächen ohne Rotationssymmetrie, alle CGH-Fehler auf die Formvermessung durch. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Vermessung des CGH's steigen dadurch stark an. Dabei ist es wichtig die Verzeichnung der beugenden Strukturen des CGH's, d. h. die Lateralpositionen des beugenden Strukturen in Bezug auf ihre Sollpositionen, sowie die Profilform des CGH's hochgenau zu kennen. Die Messgenauigkeit, mit der diese Parameter mittels aus dem Stand der Technik bekannten Messgeräten bestimmt werden können, reicht jedoch für die ständig steigenden Anforderungen nicht aus.
Andere bekannte Vorrichtungen zur hochgenauen Vermessung von optischen Oberflächen verwenden zwei nacheinander angeordnete CGH's, wodurch der für den Messaufbau notwendige Aufwand steigt.
Zugrunde liegende Aufgabe
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Probleme zu lösen und insbesondere ein Verfahren sowie ein diffraktives optischen Element zur Vermessung optischer Oberflächen beliebiger Form, insbesondere nicht-sphärischer optischer Oberflächen ohne Rotationssymmetrie, mit verbesserter Genauigkeit bereit zu stellen.
Erfindungsgemäße Lösung
Die vorgenannte Aufgabe kann erfindungsgemäß beispielsweise gelöst werden mit einem diffraktiven optischen Element, welches ein Substrat sowie ein auf dem Substrat angeordnetes diffraktives Strukturmuster aufweist. Das diffraktive Strukturmuster ist dazu konfiguriert, eine eingestrahlte ebene oder sphärische Eingangswelle in mindestens vier separate Ausgangswellen umzuwandeln, wobei mindestens eine der Ausgangswellen eine nicht-sphärische Welle, mindestens eine weitere der Ausgangswellen eine sphärische Welle und mindestens zwei weitere der Ausgangswellen jeweils eine ebene oder eine sphärische Welle sind.
Die genannten Ausgangswellen werden erfindungsgemäß damit mittels lediglich einem einzigen diffraktiven optischen Element erzeugt, d. h. einem diffraktiven Strukturmuster, welches auf einem einzigen Substrat angeordnet ist. Damit kann das diffraktive optische Element gemäß mehrerer Varianten konfiguriert sein. Gemäß einer ersten Variante ist die eingestrahlte Welle eben und die Ausgangswellen umfassen mindestens eine nichtsphärische Welle und mindestens drei sphärische Wellen. Gemäß einer zweiten Variante ist die eingestrahlte Welle sphärisch und die Ausgangswellen umfassen mindestens eine nicht-sphärische Welle und mindestens drei sphärische Wellen. Gemäß einer dritten Variante ist die eingestrahlte Welle eben und die Ausgangswellen umfassen mindestens eine sphärische Welle und mindestens zwei ebene Wellen. Gemäß einer vierten Variante ist die eingestrahlte Welle sphärisch und die Ausgangswellen umfassen mindestens eine sphärische Welle und mindestens zwei ebene Wellen. Im Fall der ersten und zweiten Variante unterscheiden sich gemäß einer Ausführungsform die Intensitäten der sphärischen Wellen voneinander um weniger als 30%, insbesondere um weniger als 10%.
Die ebene oder sphärische Eingangswelle kann auch nur als sphärische Welle bezeichnet werden, wobei in diesem Fall eine ebene Welle als Sonderfall einer sphärischen Welle mit unendlichem Radius gilt. Die nicht-sphärische Ausgangswelle kann eine an eine zu vermessende optische Oberfläche angepasste Messwelle sein, die bei einer interferometrischen Vermessung der Oberfläche auf diese eingestrahlt wird. Die weiteren Ausgangswellen können auch als Kalibrierwellen bezeichnet werden.
Das diffraktive optische Element ist insbesondere als computergeneriertes Hologramm (CGH) ausgeführt. Das diffraktive Strukturmuster kann auch als Phasengitter oder Beugungsgitter bezeichnet werden, wobei zu beachten ist, dass darunter nicht unbedingt ein regelmäßiges Gitter zu verstehen ist, sondern insbesondere Linienstrukturen, die Biegungen aufweisen können, grundsätzlich in ihrer Form voneinander abweichen können und deren Abstand variieren kann. Wie vorstehend erwähnt, ist das diffraktive Strukturmuster auf dem Substrat des diffraktiven optischen Elements angeordnet, d. h. es ist auf lediglich einem Substrat angeordnet. Das diffraktive Strukturmuster setzt sich damit nicht aus mehreren Teilmustern zusammen, die auf unterschiedlichen Substraten angeordnet sind.
Ein diffraktives Strukturmuster, welches separate Ausgangswellen in der beschriebenen Art erzeugt, kann auch als komplex kodiertes Phasengitter bezeichnet werden. Eine sphärische Welle im Sinne der Anmeldung ist eine Welle mit einer sphärischen Wellenfront, d. h. eine Welle, bei der die Wellenfront durch zumindest einen Kugeloberflächenabschnitt gebildet ist.
Eine nicht-sphärische Welle im Sinne der Anmeldung ist eine Welle, deren Wellenfront von jeder beliebigen idealen Sphäre, insbesondere von der an die Wellenfront bestangepassten Sphäre, eine Abweichung von mindestens 10 λ aufweist, wobei λ die Wellenlänge der eingestrahlten Eingangswelle ist. Mit anderen Worten weist die nichtsphärische Welle mindestens einen Punkt auf, an dem diese um mindestens 10 λ von jeder idealen Sphäre abweicht. Liegt die Wellenlänge bei 500 nm, so weist eine nichtsphärische Welle im Sinne der Anmeldung eine Abweichung von mindestens 5 μm von jeder beliebigen idealen Sphäre auf. Nicht-sphärische Wellen im Sinne der Anmeldung umfassen sowohl Wellen mit rotationssymmetrischen Wellenfronten, d. h. asphärische Wellen im klassischen Sinne, als auch Wellen mit nicht rotationssymmetrischen Wellenfronten, d. h. Wellen, deren Wellenfronten die Form von sogenannten Freiformflächen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die nicht-sphärische Welle eine Wellenfront in Gestalt einer Freiformfläche auf, wobei die Wellenfront eine Abweichung von jeder beliebigen idealen Sphäre von mindestens 1 mm aufweist.
Unter „separaten Ausgangswellen” ist zu verstehen, das die Ausgangswellen unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen aufweisen und damit unabhängig voneinander erfasst werden bzw. auf das diffraktive optische Element zurück reflektiert werden können, sodass diese separat in einer interferometrischen Messvorrichtung vermessen werden können.
Das erfindungsgemäße diffraktive optische Element unterscheidet sich gegenüber einem herkömmlicherweise zur interferometrischen Formvermessung eingesetzten CGH darin, dass erfindungsgemäß neben der nicht-sphärischen Ausgangswelle mindestens drei weitere Ausgangswellen erzeugt werden, die eben bzw. sphärisch sind. Beim genannten herkömmlichen CGH werden in den verschiedenen Beugungsordnungen neben einer bzw. mehreren nicht-sphärischen Wellen maximal zwei ebene oder sphärische Wellen erzeugt.
Im Fall der Verwendung zweier nacheinander angeordneten CGH's wird auf das zweite CGH üblicherweise eine Welle eingestrahlt, welche durch eine Sphäre und eine Nicht-Sphäre gebildet wird und damit ebenfalls nicht-sphärisch ist. Würde auf dieses CGH eine ebene oder sphärische Welle eingestrahlt, würde dabei keine einzige ebene oder sphärische Welle erzeugt werden.
Die Erzeugung der mindestens drei weiteren Ausgangswellen der genannten Art neben der nicht-sphärischen Ausgangswelle bei Einstrahlung einer ebenen oder sphärischen Eingangswelle auf das erfindungsgemäße diffraktive optischen Element macht es möglich, das diffraktive optische Element mittels der weiteren Ausgangswellen auf Fertigungsfehler hin zu vermessen. Bei einer dann folgenden Vermessung einer optischen Oberfläche unter Verwendung des diffraktiven optischen Elements können dann die Auswirkungen der Fertigungsfehler aus dem Messergebnis wieder heraus gerechnet werden. Damit kann die Messgenauigkeit der Formvermessung, insbesondere nicht-sphärischer optischer Oberflächen, erhöht werden.
Gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung ist das Strukturmuster derart konfiguriert, dass die mindestens zwei weiteren Ausgangswellen ebene Wellen sind, deren Ausbreitungsrichtungen in Bezug auf eine Einfallsrichtung der Eingangswelle zueinander symmetrisch sind. Gemäß einer Variante sind die beiden ebenen Ausgangswellen positive und negative Beugungsordnungen derselben Ordnung, wie z. B. die +1. und –1. Beugungsordnung, an einem Lineargitter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist das Strukturmuster derart konfiguriert, dass die separaten Ausgangswellen neben den, ein erstes Wellenpaar bildenden, zwei ebenen Ausgangswellen zwei weitere ebene Wellen in Gestalt eines zweiten Wellenpaares aufweisen, deren Ausbreitungsrichtungen in Bezug auf die Einfallsrichtung ebenfalls zueinander symmetrisch sind, wobei eine durch die Ausbreitungsrichtungen des ersten Wellenpaares aufgespannte Ebene von der durch die Ausbreitungsrichtungen des zweiten Wellenpaares aufgespannte Ebene abweicht. Insbesondere steht die durch die Ausbreitungsrichtungen des ersten Wellenpaares aufgespannte Ebene im Wesentlichen senkreicht zur durch die Ausbreitungsrichtungen des zweiten Wellenpaares aufgespannte Ebene. Im Wesentlichen senkrecht bedeutet in diesem Zusammenhang ein Winkel von mindestens 80°, insbesondere mindestens 85°, mindestens 89° oder etwa 90°.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist an jedem Punkt i des diffraktiven Strukturmusters ein Winkel α_i durch den Winkel zwischen einem ersten Differenzvektor und einem zweiten Differenzvektor definiert, wobei der erste Differenzvektor durch die Differenz aus dem vom Punkt i ausgehenden Wellenvektor k_i(A) der nicht-sphärischen Welle und dem Wellenvektor k_i(in) der am Punkt i eingehenden Eingangswelle und der zweite Differenzvektor durch die Differenz aus dem vom Punkt i ausgehenden Wellenvektor k_i(S) der mindestens einen sphärischen Welle und dem Wellenvektor k_i(in) der am Punkt i eingehenden Eingangswelle definiert ist. Weiterhin ist das Strukturmuster derart konfiguriert, dass der über die Punkte i des diffraktiven Strukturmusters gemittelte Betrag des Winkels α_i in Projektion auf eine zum Strukturmuster parallele Ebene größer als 5°, insbesondere größer als 10°, ist. Der Wellenvektor wird auch als „k-Vektor” bezeichnet und ist derjenige Vektor, der senkrecht auf der Wellenfront einer Welle steht. Mit anderen Worten ist ein Winkel ω größer als 5°, wobei ω wie folgt definiert ist:
N bezeichnet dabei die Anzahl der Punkte i, über die der Mittelwert gebildet wird. Abermals mit anderen Worten ausgedrückt, ist der Winkel ω definiert durch den Mittelwert des Betrags des Winkels α_i ^xy über die Ortskoordinaten i des diffraktiven optischen Elements, d. h.
wobei α_i ^xy der auf die xy-Ebene projizierte Winkel zwischen dem Differenzvektor [k_i(A) – k_i(in)] und dem Differenzvektor [k_i(S) – k_i(in)] ist.
Hierbei wird der Mittelwert über die vom Strukturmuster bedeckte Fläche, d. h. die optisch wirksame Fläche des diffraktiven optischen Elements gebildet. Die Ausbreitungsrichtung der Eingangswelle wird als z-Richtung bezeichnet, damit ist die xy-Ebene die zur Ausbreitungsrichtung der Eingangswelle senkrechte Ebene.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die Beugungseffizienz des Strukturmusters zur Erzeugung der nicht-sphärischen Welle mindestens 50% größer als die Beugungseffizienz des Strukturmusters zur Erzeugung der mindestens einen sphärischen Welle. Damit ist die Intensität der nicht-sphärischen Welle mindestens 50% größer als die Intensität der mindestens eine sphärische Welle.
Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Beugungseffizienz zur Erzeugung der mindestens einen nicht-sphärischen Welle mindestens 70% größer, insbesondere mindestens 100% größer, als die Beugungseffizienz zur Erzeugung der mindestens einen sphärischen Welle. Dies kann durch Verwendung von metallisierten Kalibrierspiegeln kompensiert werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Summe der Beugungseffizienzen der mindestens vier Ausgangswellen größer als 30%.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist das Strukturmuster derart konfiguriert, dass die Strahlungsleistung der nicht-sphärischen Ausgangswelle größer ist als die jeweilige Strahlungsleistung der sphärischen oder der ebenen Ausgangswellen. Das heißt, die Ausgangswelle mit der nicht-sphärischen Wellenfront ist im Strukturmuster stärker gewichtet als die verbleibenden drei Ausgangswellen mit der sphärischen oder der ebenen Wellenfront. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Strahlungsleistung der Ausgangswelle mit der nicht-sphärischen Wellenfront mindestens 30%, insbesondere etwa 40%, der Strahlungsleistung der Eingangswelle und die verbleibenden drei Ausgangswellen mit der sphärischen oder der ebenen Wellenfront weisen jeweils zwischen 15% und 25%, insbesondere etwa 20%, der Strahlungsleistung der Eingangswelle auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist das Strukturmuster derart konfiguriert, dass die eingestrahlte Eingangswelle in mindestens fünf separate Ausgangswellen umgewandelt wird, wobei vier der Ausgangswellen als sphärische Wellen ausgebildet sind. Eine weitere der mindestens fünf Ausgangswellen ist die nichtsphärische Welle, insbesondere eine Freiformwelle.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung weisen die Ausgangswellen jeweilige mittlere Ausbreitungsrichtungen auf, welche zueinander derart orientiert sind, dass die mittleren Ausbreitungsrichtungen der vier sphärischen Ausgangswellen paarweise jeweils nicht zueinander symmetrisch in Bezug auf eine durch die mittlere Ausbreitungsrichtung der nicht-sphärischen Ausgangswelle definierte Achse angeordnet sind. Unter „nicht symmetrisch” wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine Abweichung von mindestens 1°, insbesondere von mindestens 5°, gegenüber symmetrischer Anordnung vorliegt. Die mittlere Ausbreitungsrichtung ist diejenige Ausbreitungsrichtung, die sich durch intensitätsgewichtete Mittelung der unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen der jeweiligen Ausgangswelle ergibt. Gemäß einer Ausführungsvariante gilt diese Bedingung für mindestens 90% aller Punkte auf dem diffraktiven optischen Element.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung umfasst das diffraktive Strukturmuster ein mehrstufiges Phasengitter. Unter einem mehrstufigen Phasengitter ist, wie dem Fachmann geläufig, ein Phasengitter zu verstehen, welches zwischen der obersten und der untersten Stufe mindestens eine Zwischenstufe aufweist. Damit weist ein derartiges Phasengitter mindestens drei Stufen auf. Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen können vier oder mehr Stufen vorgesehen sein. Ein sogenanntes geblaztes Phasengitter weist derart viele Stufen auf, dass das Profil durch Schrägen dargestellt wird. Die Verwendung eines mehrstufigen Phasengitters ermöglicht es, einen durch komplexe Kodierung bewirkten Beugungseffizienzverlust wieder zumindest teilweise auszugleichen bzw. sogar überzukompensieren. Unter einem mehrstufigen Phasengitter im Sinne der Anmeldung ist auch ein derartiges geblaztes Phasengitter zu verstehen. Hintergrundinformationen zu mehrstufigen Phasengittern sind dem Fachmann z. B. aus dem Lehrbuch von Donald C. O'Shea et. al. „Diffractive optics: design, fabrication, and test", 2004, The Society of Photo-Opitcal Instrumentation Engineers, Seiten 29 bis 35 bekannt. Unter einem mehrstufigen Phasengitter im Sinne der Anmeldung wird insbesondere auch ein lateral geblaztes Phasengitter verstanden, wie z. B. beschrieben in: H. Kleemann et. al., „Combinqation of blazed and laterally blazed structures", Diffractive Optics and Micro-Optics, OSA Technical Digest (Optical Society of America), paper DTuC7, 2004.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein diffraktives optisches Element bereitgestellt, welches ein Substrat sowie ein darauf angeordnetes Beugungsgitter umfasst. Das Beugungsgitter weist zueinander beabstandet angeordnete Gitterlinien auf, wobei ein mittlerer Periodenabstand des Beugungsgitters durch einen über das Beugungsgitter gemittelten Mittenabstand zwischen jeweils benachbarten Gitterlinien bestimmt ist. Die Gitterlinien weisen eine wellenartige Form auf, derart dass eine mittlere Wellenperiode der Gitterlinien im Bereich zwischen dem 3-fachen und dem 20-fachen des mittleren Periodenabstandes des Beugungsgitters liegt und eine Variation der Gitterlinien quer zu ihrer Längserstreckung eine Spanne aufweist, die im Bereich zwischen dem 0,1-fachen und dem 3-fachen des mittleren Periodenabstandes des Beugungsgitters liegt.
Der mittlere Periodenabstand des Beugungsgitters wird in Querrichtung der Gitterlinien vermessen. Unter einer gewellten Form der Gitterlinien ist zu verstehen, dass die Gitterlinien in Bezug auf eine jeweilige gerade Linie nach oben und unten, d. h. quer zur Längsausdehnung der Gitterlinien abweichen. Dabei kann die Wellenperiode von Auslenkung zu Auslenkung hin variieren. Unter der Spanne der Variation der Gitterlinien quer zu ihrer Längserstreckung ist eine Spanne der Abweichungen der jeweiligen Gitterlinie von ihrer gedachten geraden Form, d. h. von der an die jeweilige Gitterlinie bestangepassten Geraden, zu verstehen. Insbesondere ist die Spanne der Variation die doppelte Amplitude einer die Gitterlinienform bestimmenden Welle.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung bedeckt das Beugungsgitter mindestens 20% des Substrats. Ist das Substrat plattenförmig ausgeführt, so sind 20% der Oberseite bzw. Unterseite des Substrats mit dem Beugungsgitter bedeckt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung sind mindestens 90%, insbesondere mindestens 95% oder mindestens 99%, der Gitterlinien des Beugungsgitters als durchgehende Linien ausgeführt, welche sich zwischen Randbereichen des Beugungsgitters ohne Unterbrechung erstrecken, d. h. diese Linien enden nicht innerhalb der vom Beugungsgitter abgedeckten Fläche des Substrats.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist das Beugungsgitter derart konfiguriert, dass eine innerhalb einer quadratischen Messfläche des Beugungsgitters mit 1 mm Kantenlänge über jede beliebige quadratische Teilfläche mit 50 μm Kantenlänge gemittelte Streifendichte der Gitterlinien eine Variation aufweist, die sich über eine Spanne von weniger als 20 Linienpaaren/mm erstreckt. Gemäß einem Beispiel für eine Methode zur Bestimmung der Streifendichte innerhalb einer quadratischen Teilfläche wird zunächst entlang jeder Gitterlinie alle 1 μm die Summe aus der Breite der Gitterlinie und der Breite des daran an einer Seite angrenzenden Zwischenraums zur nächsten Gitterlinie bestimmt. Vom dabei bestimmten Wert wird der Kehrwert gebildet und damit die Streifendichte am betreffenden Messort ermittelt. Die Werte für die Streifendichten werden über alle Messorte innerhalb der betreffenden Teilfläche gemittelt. Dies geschieht für alle Teilflächen innerhalb der quadratischen Messfläche, d. h. für 20 × 20 = 400 Teilflächen, sodass für jede Teilfläche eine gemittelte Streifendichte bestimmt wird. Gemäß des vorstehenden Ausführungsbeispiels weist die Variation der gemittelten Streifendichte eine Spanne von weniger als 20 Linienpaare/mm auf, d. h. die für die verschiedenen Teilflächen innerhalb der Messfläche ermittelten gemittelten Streifendichten variieren um weniger als 20 Linienpaare/mm. Liegt beispielsweise die Streifendichte im Mittel bei etwa 200 Linien/mm, so variiert die Streifendichte innerhalb der Spanne 190 bis 210 Linien/mm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Sturkturmuster derart konfiguriert, dass aus der eingestrahlten Eingangswelle neben den mindestens vier separaten Ausgangswellen zusätzlich eine Referenzwelle in Littrow-Reflexion erzeugt wird, welche als Referenz bei einer interferometrischen Messung verwendet werden kann.
Die in den vorstehenden Ausführungsformen und Ausführungsvarianten beschriebenen Merkmale können einzeln oder in Kombination auf das diffraktive optische Element mit den wellenartigen Gitterlinien übertragen werden.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein diffraktives optisches Element bereitgestellt, welches eine Substrat sowie ein darauf angeordnetes diffraktiven Strukturmuster aufweist. Das diffraktive Strukturmuster ist derart konfiguriert, dass eine eingestrahlte ebene oder sphärische Eingangswelle vom Strukturmuster in mindestens drei separate Ausgangswellen mit jeweils einer sphärischen Wellenfront umgewandelt wird.
Die in den vorstehenden Ausführungsformen und Ausführungsvarianten beschriebenen Merkmale können einzeln oder in Kombination auf dieses diffraktive optische Element mit den wellenartigen Gitterlinien übertragen werden. Insbesondere kann dieses diffraktive optische Element Merkmale aus vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des mindestens vier separate Ausgangswellen erzeugenden diffraktiven optischen Elements enthalten.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Bestimmen einer Abweichung einer tatsächlichen Form von einer Sollform einer optischen Oberfläche eines optischen Elements bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in einer Ausführungsform die Schritte: Erzeugen einer ebenen oder sphärischen Eingangswelle, Anordnen eines diffraktiven optischen Elements im Strahlengang der Eingangswelle und Umwandeln der Eingangswelle in mindestens vier separate Ausgangswellen durch Wechselwirkung mit dem diffraktiven optischen Element, wobei mindestens eine der Ausgangswellen eine an die Sollform der optischen Oberfläche angepasste Messwelle mit nicht-sphärischer Wellenfront, mindestens eine weitere der Ausgangswellen eine Kalibrierwelle mit sphärischer Wellenfront und mindestens zwei weitere der Ausgangswellen Kalibrierwellen mit jeweils einer ebenen oder einer sphärischen Wellenfront sind. Weiterhin werden gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens Kalibrierkorrekturen des diffraktiven optischen Elements mittels der Kalibrierwellen bestimmt, die optischen Oberfläche wird im Strahlengang der angepassten Welle und die Wellenfront der angepassten Welle wird nach Wechselwirkung mit der optischen Oberfläche gemessen. Weiterhin wird die gemessene Wellenfront mittels der bestimmten Kalibrierkorrekturen korrigiert. Aus der korrigierten Wellenfront kann nun die Abweichung der tatsächlichen Form der optischen Oberfläche von der Sollform bestimmt werden.
Das im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete diffraktive optische Element kann insbesondere gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt sein. Gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung werden zur Bestimmung der Kalibrierkorrekturen ein bzw. mehrere Kalibrierobjekte in den Strahlengängen der Kalibierwellen angeordnet und nach Wechselwirkung mit dem bzw. den Kalibrierobjekten erfolgt eine interferometrische Auswertung der Kalibrierwellen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements bereitgestellt. Dieses Verfahren umfasst in einer Ausführungsform den Schritt eines Fertigens des optischen Elements mit einer optischen Oberfläche, welche einen Durchmesser von größer als 500 mm aufweist. Weiterhin wird eine tatsächliche Form der optischen Oberfläche in Bezug auf eine Sollform unter Verwendung lediglich eines diffraktiven optischen Elements derart genau interferometrisch vermessen, dass Abweichungen der tatsächlichen Form von der Sollform, welche auf Oszillationen mit Schwingungswellenlängen zwischen d/100 und d/5 zurückgehen, mit einer Genauigkeit von 0,05 nm bestimmt werden, wobei die Sollform eine Freiformfläche ist, welche eine Abweichung von jeder rotationssymmetrischen Asphäre von mehr als 5 μm aufweist. Weiterhin wird die optische Oberfläche an die Sollform durch mechanisches Bearbeiten der optischen Oberfläche auf Grundlage des interferometrischen Messergebnisses angepasst. Die Anpassung der optischen Oberfläche an die Sollform erfolgt dabei im Rahmen der Messgenauigkeit der interferometrischen Vermessung.
Die interferometrische Vermessung der tatsächlichen Form der optischen Oberfläche kann insbesondere unter Ausführung des vorstehend beschriebenen Messverfahrens in einer der erfindungsgemäßen Ausführungsformen erfolgen. Das im Herstellungsverfahren verwendete diffraktive optische Element kann insbesondere in einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt sein.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein optisches Element bereitgestellt, welches eine optische Oberfläche mit einem Durchmesser d von größer als 500 mm aufweist. Eine tatsächliche Form der optischen Oberfläche ist dabei derart an eine Sollform angepasst, dass Abweichungen der tatsächlichen Form von der Sollform, welche auf Oszillationen mit Schwingungswellenlängen zwischen d/100 und d/5 zurückgehen, höchstens 0,05 nm, insbesondere höchstens 0,02 nm, betragen. Die Sollform ist dabei eine Freiformoberfläche, welche eine Abweichung von jeder rotationssymmetrischen Asphäre von mehr als 5 μm, insbesondere von mehr als 10 μm aufweist.
Das optische Element kann beispielsweise als EUV-Spiegel ausgeführt sein. Insbesondere beträgt die Abweichung der Sollform von ihrer bestangepassten rotationssymmetrischen Asphäre mehr als 5 μm, insbesondere mehr als 10 μm. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die optische Oberfläche einen Durchmesser von größer als 1000 mm aufweisen und die gesamten Oszillationen Schwingungswellenlängen zwischen 1 mm und 50 mm betreffen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung weist die Sollform eine Abweichung von jeder Sphäre von mindestens 1 mm auf. Damit handelt es sich bei der optischen Oberfläche um eine große bzw. starke Freiformfläche.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Abweichungen der tatsächlichen Form von der Sollform, welche auf Oszillationen zwischen d/100 und d/5 zurückgehen, durch die größte Amplitude der Abweichungen der tatsächlichen Form von der Sollform an irgendeinem Ort der optischen Oberfläche definiert.
Die vorstehend erwähnten und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in den Ansprüchen und in der Figurenbeschreibung erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind und deren Schutz ggf. erst während oder nach Anhängigkeit der Anmeldung beansprucht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden, sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt:
1 eine Schnittansicht einer interferometrischen Messvorrichtung mit einem diffraktiven optischen Element,
2 eine Veranschaulichung von mittels Beugung einer Eingangswelle am diffraktiven optischen Element in einer ersten Ausführungsform erzeugten Ausgangswellen in der Schnittansicht gemäß 1,
3 eine Veranschaulichung der Ausgangswellen aus 2 im Richtungsraum,
4 eine Veranschaulichung von Winkelbeziehungen von Wellenvektoren zweier der Ausgangswellen gemäß 2,
5 eine Veranschaulichung der Zusammensetzung eines diffraktiven Strukturmusters des diffraktiven optischen Elements gemäß 2,
6 eine Veranschaulichung einer Kalibrierung des diffraktiven optischen Elements mittels einer der Ausgangswellen mit sphärischer Wellenfront,
7 eine Veranschaulichung einer weiteren Kalibrierung des diffraktiven optischen Elements mittels ebenen Ausgangswellen,
8 eine Veranschaulichung von mittels Beugung der Eingangswelle an einer weiteren Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements erzeugten Ausgangswellen in der Schnittansicht gemäß 1,
9 eine Veranschaulichung der Ausgangswellen aus 8 im Richtungsraum,
10 eine Veranschaulichung der Zusammensetzung eines diffraktiven Strukturmusters des diffraktiven optischen Elements gemäß 8,
11 Diagramme, welche Beugungseffizienz sowie Kontrast bei Verwendung des diffraktiven optischen Elements gemäß 9 in der interferometrischen Messvorrichtung gemäß 1 veranschaulichen,
12 eine Veranschaulichung der Größenverhältnisse eines Ausschnitts des Phasengitters des diffraktiven optischen Elements gemäß 8 in Bezug auf das diffraktive optische Element als Ganzes,
13 eine Veranschaulichung einer Welligkeit der Gitterlinien des Phasengitters aus 8,
14 eine der Gitterlinien aus des Phasengitters aus 13,
15 eine Veranschaulichung von mittels Beugung an einer weiteren Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements erzeugten Ausgangswellen im Richtungsraum,
16 eine Veranschaulichung von mittels Beugung an einer weiteren Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements erzeugten Ausgangswellen im Richtungsraum,
17 eine Veranschaulichung eines als mehrstufiges Phasengitter ausgeführten diffraktiven Strukturmusters des diffraktiven optischen Elements in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
18 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß hergestelltes optisches Element, sowie 10 eine Schnittansicht des optischen Elements aus 18.
Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.
Zur Erleichterung der Beschreibung ist in der Zeichnung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben, aus dem sich die jeweilige Lagebeziehung der in den Figuren dargestellten Komponenten ergibt. In 1 verläuft die x-Richtung senkrecht zur Zeichenebene in diese hinein, die y-Richtung nach oben und die z-Richtung nach rechts.
1 veranschaulicht eine interferometrische Messvorrichtung 10 in einer Ausführungsform nach der Erfindung. Die Messvorrichtung 10 ist geeignet zum Bestimmen einer Abweichung einer tatsächlichen Form von einer nicht-sphärischen Sollform einer optischen Oberfläche 12 eines Prüflings in Gestalt eines optischen Elements 14. Das optische Element 14 kann beispielsweise in Gestalt einer optischen Linse oder eines Spiegels ausgeführt sein. Im dargestellten Fall handelt es sich beim optischen Element 14 um einen konkaven Spiegel für die EUV-Lithographie, d. h. einen Spiegel, der in einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einer Belichtungswellenlänge im EUV-Wellenlängenbereich konzipiert ist. Der EUV-Wellenlängenbereich erstreckt sich auf Wellenlängen unterhalb von 100 nm, und betrifft insbesondere Wellenlängen von etwa 13,5 nm und/oder etwa 6,8 nm. Das optische Element 14 ist in der Messvorrichtung 10 mittels einer nicht zeichnerisch dargestellten Halterung montiert. Die nicht-sphärische Sollform der optischen Oberfläche 12 kann die Form einer rotationssymmetrischen Asphäre oder einer Freiformfläche aufweisen, wie in der allgemeinen Beschreibung näher erläutert.
Die interferometrische Messvorrichtung 10 umfasst ein Interferometer 16, welches wiederum eine Lichtquelle 18, einen Strahlteiler 34 sowie eine Interferometerkamera 45 umfasst. Die Lichtquelle 18 erzeugt eine Beleuchtungsstrahlung 20 und umfasst dazu einen Laser 21, wie etwa einen Helium-Neon-Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls 22. Die Beleuchtungsstrahlung 20 weist ausreichend kohärentes Licht zur Durchführung einer interferometrischen Messung auf. Im Falle eines Helium-Neon-Lasers beträgt die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung 20 etwa 633 nm. Die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung 20 kann aber auch andere Wellenlängen im sichtbaren und nicht sichtbaren Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung aufweisen.
Der Laserstrahl 22 wird von einer Fokussierlinse 24 auf eine Blende 26 derart fokussiert, dass ein divergenter Strahl kohärenten Lichts von der Blendenöffnung ausgeht. Die Wellenfront des divergenten Strahl 28 ist im Wesentlichen sphärisch. Der divergente Strahl 28 wird von einer Linsengruppe 30 kollimiert, wodurch die Beleuchtungsstrahlung 20 mit einer, im vorliegenden Fall im Wesentlichen ebenen Wellenfront erzeugt wird. Die Beleuchtungsstrahlung 20 breitet sich entlang einer optischen Achse 32 des Interferometers 16 aus und durchläuft den Strahlteiler 34.
Daraufhin trifft die Beleuchtungsstrahlung 20 auf ein Fizeauelement 36 mit einer Fizeaufläche 38. Ein Teil des Lichts der Beleuchtungsstrahlung 20 wird als Referenzwelle 40 an der Fizeaufläche 38 reflektiert. Das das Fizeauelement 36 durchlaufende Licht der Beleuchtungsstrahlung 20 breitet sich als eingehende Messwelle, nachfolgend Eingangswelle 42 bezeichnet, mit einer ebenen Wellenfront 44 weiter entlang der optischen Achse 32 aus und trifft auf ein diffraktives optisches Element 50. In anderen Ausführungsformen der Messvorrichtung 10 kann die Wellenfront der Eingangswelle 42 auch sphärisch sein.
Das diffraktive optische Element 50 umfasst ein bezüglich der Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung 20 durchlässiges Substrat 52 sowie ein auf dem Substrat 52 angeordnetes diffraktives Strukturmuster 54 in Gestalt eines computergenerierten Hologramms (CGH).
In einer ersten Ausführungsform ist das Strukturmuster 54 derart konfiguriert, dass die Eingangswelle 42 durch Beugung am Strukturmuster 54 in eine nicht-sphärische Ausgangswelle 56, eine sphärische Ausgangswelle 58, sowie ebene Ausgangswellen 60 umgewandelt wird, wie in 2 veranschaulicht. Die sphärische Ausgangswelle sowie die ebenen Ausgangswellen 60 dienen als Kalibrierwellen, wie nachstehend verdeutlicht wird.
Die Ausgangswelle 56 ist auch in 1 eingezeichnet und dient als Messwelle zur Vermessung der tatsächlichen Form der optischen Oberfläche 12 des optischen Elements 14. Die Ausgangswelle 56 weist dazu eine Wellenfront auf, die an die Sollform der optischen Oberfläche 12 angepasst ist. Die Ausgangswelle 56 wird daher auch als angepasste Messwelle bezeichnet. Wie vorstehend erwähnt, ist die Ausgangswelle 56 nicht-sphärisch und weist damit eine rotationssymmetrische asphärische Wellenfront oder eine Wellenfront in Gestalt einer Freiformfläche auf. Eine Freiformfläche im Sinne der Anmeldung weist keine Rotationssymmetrie auf, wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert.
In 4 ist der Wellenvektor k_i(in) der Eingangswelle 42, der Wellenvektor k_i(S) der sphärischen Ausgangswelle 58 sowie der Wellenvektor k_i(A) der nichtsphärischen Ausgangswelle 56 an einer Ortskoordinate i(x, y) auf dem diffraktiven Strukturmuster 54 in zwei Schnittdarstellungen, einmal unter (a) im y-z-Schnitt, und unter (b) im x-y-Schnitt veranschaulicht. Das diffraktive Strukturmuster 54 ist dabei in der x-y-Ebene angeordnet. Der Winkel zwischen dem Differenzvektor [k_i(A) – k_i(in)] und dem Differenzvektor [k_i(S) – k_i(in)] wird als Winkel α_i bezeichnet. Der unter (a) eingezeichnete Winkel α_i ^xz ist die Projektion von α_i in die x-z-Ebene und der unter (b) eingezeichnete Winkel α_i ^xy ist die Projektion von α_i in die x-y-Ebene.
Der Mittelwert des Betrags des Winkels α_i ^xy, d. h. des in die x-y-Ebene projizierten Winkels α_i, über die Ortskoordinaten i(x, y) des diffraktiven Strukturmusters 54 wird als Winkel ω bezeichnet. Der Winkel ω ist gemäß einer Ausführungsform größer als 5°. Damit gilt folgendes:
N bezeichnet dabei die Anzahl der Punkte i, über die der Mittelwert gebildet wird. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist ω größer als 10° bzw. größer als 15°.
Wie in 5 veranschaulicht, umfasst das Strukturmuster 54 gemäß 2 ein komplex kodiertes Phasengitter f_G, welches verschiedene Phasenfunktionen f₁ bis f₄ enthält, derart dass für jede einzelne der verschiedenen Phasenfunktionen f₁ bis f₄ jeweilige gebeugte Wellen erzeugt werden. Die in 5 abgebildeten Darstellungen zeigen Höhenlinien der Funktionen f₁ bis f₄. Diese Höhenlinien der Phasenfunktionen entsprechen den Gitterlinien des jeweiligen Beugungsgitters. Die in 5 abgebildete Darstellung von f_G zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt des Strukturmusters 54 gemäß 2. Mit anderen Worten wirkt das komplex kodierte Phasengitter f_G derart auf die Eingangswelle 42, dass durch jedes der durch die Phasenfunktionen f₁ bis f₄ definierten Beugungsgitter entsprechende, voneinander unabhängige, gebeugte Wellen erzeugt werden. Gedanklich kann man sich das komplex kodierte Phasengitter f_G als mehrere an einem Ort überlagerte CGH's mit den einzelnen Phasenfunktionen f₁ bis f₄ vorstellen. Dieses Überlagern der Funktionalitäten entspricht der Operation S = W₁·exp(i·f₁) + W₂·exp(i·f₂) + W₃·exp(i·f₃) + W₄·exp(i·f₄). Die Stärke der einzelnen Beiträge wird durch die Gewichte W₁ bis W₄ eingestellt. Die imaginäre Einheit ist i. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird zur Realisierung des komplex kodierten Phasengitters f_G ein binäres Phasengitter verwendet, d. h. f_G = 0 oder π.
Für das binäre Phasengitter gilt: wenn Re{S} > 0, dann f_G = π, sonst f_G = 0. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird zur Realisierung des komplex kodierten Phasengitters f_G ein kontinuierliches Phasengitter verwendet. In diesem Fall gilt: f_G = exp(i∠{S}). Die Beugungseffizienzen der einzelnen Phasenfunktionen f₁, f₂, f₃ und f₄ sind unterschiedlich groß, in der vorliegenden Ausführungsform sind die Phasenfunktionen f₁ und f₂ jeweils mit einer Gewichtung W₁ bzw. W₂ von 35% und die Phasenfunktionen f₃ und f₄ jeweils mit einer Gewichtung W₃ bzw. W₄ von 15% enthalten.
Die Phasenfunktion f₁ des Phasengitters f_G gemäß 5 erzeugt die nicht-sphärische Ausgangswelle 56. Die Phasenfunktion f₂ des Phasengitters f_G erzeugt die sphärische Ausgangswelle 58. Die Gitterperioden entsprechend der Phasenfunktionen f₁ und f₂ variieren räumlich über das diffraktive Strukturmuster 54 gemäß 2.
Die weiteren Phasenfunktionen f₃ und f₄ des Phasengitters f_G sind Lineargitter zur Erzeugung von Planwellen (P), jeweils in +1. und –1. Beugungsordnung. So ist die Phasenfunktion f₃ als y-Lineargitter zur Erzeugung von ebenen Ausgangswellen, welche gegenüber der Eingangswelle 42 in +/–y-Richtung abgelenkt sind, konfiguriert. Die in 2 eingezeichneten ebenen Ausgangswellen 60 _y ⁺¹ sowie 60 _y ^–1 sind Wellen, die in +1. bzw. –1. Beugungsordnung vom y-Lineargitter erzeugt werden. Die vom x-Lineargitter, welches durch die Phasenfunktion f₄ gebildet wird, erzeugten ebenen Ausgangwellen 60 _x ⁺¹ sowie 60 _x ^–1 sind in 2 aufgrund der darin gewählten Schnittebene nicht ersichtlich, dafür aber in 3 dargestellt.
3 zeigt die von der Mitte des diffraktiven Strukturmusters 54 gemäß 2 erzeugten Ausgangwellen im Richtungsraum. Die Koordinaten x und y im Richtungsraum sind die x- und y-Koordinaten des auf eins normierten Vektors in Ausbreitungsrichtung. Die Komponenten dieses Richtungsvektors werden als Richtungskosinus bezeichnet. Es gilt –1 ≤ x ≤ 1, –1 ≤ y ≤ 1 und x² + y² ≤ 1.
Während die Ausgangswellen 60 _y ⁺¹ sowie 60 _x ^–1 zur nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 in +y bzw. –y-Richtung versetzt sind, sind die Ausgangswellen 60 _x ⁺¹ sowie 60 _x ^–1 gegenüber der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 in –y und +x bzw. –x-Richtung versetzt. Die Ausgangswellen 60 _x ⁺¹ und 60 _x ^–1 sind ebenfalls ebene Wellen und werden von der als x-Lineargitter konfigurierten Phasenfunktion f₄ in +1. und –1. Beugungsordnung erzeugt. In der gezeigten Ausführungsform ist die Ausbreitungsrichtung der sphärischen Ausgangswelle 58 in +x- und +y-Richtung gegenüber der Ausbreitungsrichtung der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 verkippt.
Vor Vermessung des optischen Elements 14, bei dem dieses, wie in 1 veranschaulicht, im Strahlengang der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 angeordnet wird, wird die Messvorrichtung 10 zunächst in einem Kalibriermodus betrieben. In diesem Modus wird zunächst anstatt des optischen Elements 14 eine Kalibriersphäre 62 ausgangswellenseitig bezüglich des diffraktiven optischen Elements 50, und zwar im Strahlengang der sphärischen Ausgangswelle 58, angeordnet, wie in 6 dargestellt.
Die sphärische Ausgangswelle 58 trifft auf die Kalibriersphäre 62 auf, deren Form zuvor absolut bestimmt wurde. Die Absolutbestimmung kann beispielsweise mittels der dem Fachmann bekannten Scherungstechnik oder dem ebenfalls bekannten Drei-Stellungstest erfolgen.
Die sphärische Ausgangswelle 58 durchläuft nach Reflexion an der Kalibriersphäre 62 das diffraktive optische Element 50 und wird mittels eines Objektivsystems 46 der Interferometerkamera 45 auf eine Erfassungsfläche 47 eines Kamerachips 48 der Interferometerkamera 45 gelenkt. Auf der Erfassungsfläche 47 entsteht durch Überlagerung mit der Referenzwelle 40 ein Interferenzmuster, aus welchem mittels einer Auswerteinrichtung 49 die Abweichung der sphärischen Ausgangswelle 58 von ihrer Sollwellenfront in Gestalt einer idealen sphärischen Welle bestimmt wird. Damit wird die tatsächliche Wellenfront der Ausgangswelle 58 mittels der Kalibriersphäre 62 absolut bestimmt. Die Abweichungen der sphärischen Ausgangswelle 58 von ihrer Sollwellenfront werden als Kalibrierabweichungen K1 abgespeichert.
Daraufhin wird die Kalibriersphäre wieder aus dem ausgangswellenseitigen Strahlengang des diffraktiven optischen Elements 50 entfernt und stattdessen ein Planspiegel 64 nacheinander in den jeweiligen Strahlengängen der ebenen Ausgangswellen 60 _y ⁺¹ und 60 _y ^–1 sowie 60 _x ⁺¹ und 60 _x ^–1 angeordnet, wie in 7 unter (a) für die Ausgangswelle 60 _y ⁺¹ und unter (b) für die Ausgangswelle 60 _y ^–1 dargestellt. Der Planspiegel 64 wird jeweils so angeordnet, dass die entsprechende Ausgangswelle 60 _y ⁺¹, 60 _y ^–1, 60 _x ⁺¹ bzw. 60 _x ^–1 in sich selbst reflektiert wird und nach Durchtritt durch das diffraktive optische Element 50 im Strahlengang der Eingangswelle 42 in das Interferometer 16 der Messvorrichtung 10 zurückläuft und auf der Erfassungsfläche 47 des Kamerachips 48 mit der Referenzwelle 40 interferiert.
Für jede der beiden Ausgangswellen 60 _y ⁺¹ und 60 _y ^–1 werden vom Kamerachip 48 jeweilige Interferenzmuster aufgezeichnet. Wie vorstehend erläutert, werden die beiden Ausgangswellen 60 _y ⁺¹ und 60 _y ^–1 durch Beugung in +1. bzw. –1. Beugungsordnung am durch die Phasenfunktion f₃ gebildeten y-Lineargitter erzeugt. Die für die beiden Ausgangswellen 60 _y ⁺¹ und 60 _y ^–1 aufgezeichneten Interferenzmuster werden in der Auswerteeinrichtung 49 miteinander verrechnet, derart dass als Ergebnis die x-Koordinaten einer Verzeichnung der Phasenfunktion f₃ über die gesamte Fläche des diffraktiven Strukturmusters 54 auf dem diffraktiven optischen Element 50 ermittelt wird. Gemäß einer Ausführungsform wird dazu die Differenz zwischen den beiden Interferenzmustern gebildet.
Die gleiche Auswertung erfolgt für die beiden Ausgangswellen 60 _x ⁺¹ und 60 _x ^–1. Als Ergebnis werden die y-Koordinaten einer Verzeichnung der Phasenfunktion f₄ über die gesamte Fläche des diffraktiven Strukturmusters 54 auf dem diffraktiven optischen Element 50 ermittelt. Aus den so gewonnenen Verzeichnungskoordinaten wird daraufhin auf die Verzeichnung in x- und y-Koordinaten des gesamten diffraktiven Strukturmusters 54 geschlossen. Dieses Verzeichnungsvektorfeld wird als weitere Kalibrierabweichungen K2 abgespeichert und dient der Korrektur der sphärischen Ausgangswelle 58 und der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56.
Weiterhin können die Interferenzmuster der Ausgangswellen 60 _y ⁺¹ und 60 _y ^–1 bzw. der Ausgangswellen 60 _x ⁺¹ und 60 _x ^–1 und der sphärischen Ausgangswelle 58, etwa durch Aufsummieren, derart miteinander verrechnet, dass damit Form- oder Profilabweichungen der das diffraktive Strukturmuster 54 aufweisenden Substratoberfläche des diffraktiven optischen Elements 50 ermittelt werden. Auch die so ermittelten Form- und Profilabweichungen werden als weitere Kalibrierabweichungen K3 abgespeichert.
Schließlich wird die optische Oberfläche 12 des optischen Elements 14 mittels der Messvorrichtung 10 vermessen. Dazu wird der Prüfling in Gestalt des optischen Elements 14, wie in 1 gezeigt, derart im Strahlengang der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 angeordnet, dass diese in Autokollimation auf die optische Oberfläche 12 trifft und daran reflektiert wird. Die reflektierte Welle läuft daraufhin durch das diffraktive optische Element 50 in das Interferometer 16 als rücklaufende Messwelle 66 zurück. Die rücklaufende Messwelle 66 interferiert mit der Referenzwelle 40 auf der Erfassungsfläche 47 und erzeugt damit ein Interferogramm. Das Interferogramm wird mittels der Auswerteinrichtung 49 ausgewertet und daraus die Abweichung der tatsächlichen Form der optischen Oberfläche 12 von ihrer Sollform ermittelt. Bei der Auswertung werden alle zuvor ermittelten Kalibierabweichungen berücksichtigt.
Das Verfahren erlaubt mittels der Kalibrierabweichungen K1 und K2 die Substratfehler des Substrats 50 und die Fehler infolge der Verzeichnung des diffraktiven Strukturmusters 54 zu eliminieren. Das Verfahren erlaubt weiterhin mittels der Kalibrierabweichungen K3 die Fehler der Form- oder Profilabweichungen des diffraktiven Strukturmusters 54 zu reduzieren.
Die 8 bis 12 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform eines diffraktiven optischen Elements 50 zur Verwendung in der Messvorrichtung 10 aus 1. Wie in 8 veranschaulicht, ist das diffraktive Strukturmuster 54 dieses diffraktiven optischen Elements 50 derart konfiguriert, dass die Eingangswelle 42 durch Beugung am Strukturmuster 54 neben der auch vom diffraktiven Strukturmuster auf 2 erzeugten nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 weiterhin in drei sphärische Ausgangswellen 70, 72 und 74 umgewandelt wird.
In 9 sind die Ausgangswellen 56, 70, 72 und 74 im Richtungsraum dargestellt. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass die sphärischen Ausgangswellen 70, 72 und 74 um die nicht-sphärische Ausgangswelle 56 herum angeordnet sind. Dabei bilden die Richtungsvektoren der sphärischen Ausgangswellen 70, 72 und 74 ein Dreieck. Der Richtungsvektor der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 liegt vorteilhafterweise innerhalb des Dreiecks.
10 veranschaulicht die Zusammensetzung des komplex kodierten Phasengitters f_g des Strukturmusters 54 gemäß 8. Wie auch in 5 handelt es sich bei dem in 10 dargestellten Teil des Phasengitters f_g um einen stark vergrößerten Ausschnitt des entsprechenden Strukturmusters 54. Dargestellt ist lediglich ein quadratischer Ausschnitt mit einer Kantenlänge von 50 μm. Wie in 12 veranschaulicht, ist das diffraktive optische Element 50 gemäß einer Ausführungsform auf einem quadratischen Substrat 52 mit einer Kantenlänge von 500 mm angeordnet. Das diffraktive Strukturmuster 54 ist in dieser Ausführungsform kreisförmig und bedeckt das Substrat 52 weitgehend.
Wie in 10 gezeigt, enthält das komplex kodierte Phasengitter f_g des Strukturmusters 54 gemäß 8 die einzelnen Phasenfunktionen f₁ bis f₄. Für jede einzelne der Phasenfunktionen f₁ bis f₄ wird bei Einstrahlung der Eingangswelle 42 auf das diffraktive optische Element 50 eine separate Ausgangswelle durch entsprechende Beugung erzeugt.
An der Phasenfunktion f₁ wird die nicht-sphärische Ausgangswelle 56 erzeugt, deren Wellenfront an die Sollform der zu vermessenden optischen Oberfläche 12 des optischen Elements 14 angepasst ist. An der Phasenfunktion f₂ wird die sphärische Ausgangswelle 70, an der Phasenfunktion f₃ die sphärische Ausgangswelle 72 und an der Phasenfunktion f₄ die sphärische Ausgangswelle 74 erzeugt. Die Phasenfunktion f₁ ist mit einer 40%-igen Gewichtung doppelt so stark gewichtet wie die verbleibenden Phasenfunktion f₂ bis f₄, deren Gewichtung jeweils 20% beträgt
11 zeigt, in entsprechenden Diagrammen zum einen die Beugungseffizienz E des diffraktiven optischen Elements 50 gemäß 8 im einfachen Durchtritt und zum anderen den Kontrast C im doppelten Durchtritt durch das diffraktive optische Element 50 des vom Kamerachip 48 der interferometrischen Messvorrichtung registrierten Interferenzmusters, einerseits für die nicht-sphärische Ausgangswelle 56 (FF) und andererseits für die sphärischen Ausgangswellen 70, 72 und 74 (SP1, SP2 sowie SP3). In den Diagrammen sind die entsprechenden Beugungseffizienzen bzw. Kontraste in Abhängigkeit von der Gewichtung der die nicht-sphärische Ausgangswelle 56 (FF) erzeugenden Phasenfunktion f₁ dargestellt. Die Diagramme beziehen sich auf eine Ausführungsform, bei der das Fizeau-Element 36 eine Reflexion von 0,4%, die optische Oberfläche 12 der nicht-sphärischen Fläche eine Reflexion von 4% und die optischen Oberflächen von an die sphärischen Ausgangswellen 70, 72 und 74 angepassten Kalibriersphären jeweils eine Reflexion von 80% aufweisen. Wie aus den Diagrammen ersichtlich, ergibt sich bei der Gewichtung von f₁ gemäß 10 mit 40% eine Beugungseffizienz im einfachen Durchtritt von etwas weniger als 25%, während der Kontrast etwas über 90% liegt. Der Kontrast der sphärischen Ausgangswellen 70, 72 und 74 liegt dann bei knapp 85%.
Analog zur Vermessung der optischen Oberfläche 12 des optischen Elements 14 mittels des diffraktiven optischen Elements 50 gemäß 2 wird bei Verwendung des diffraktiven optischen Elements 50 gemäß 8 die Messvorrichtung 10 zunächst im Kalibriermodus betrieben. Dazu werden nacheinander entsprechend die an die sphärischen Ausgangswellen 70, 72 und 74 angepassten Kalibriersphären im jeweiligen Strahlengang der Ausgangswellen 70, 72 und 74 angeordnet und jeweils interferometrisch vermessen. Die interferometrischen Messergebnisse werden für jede der sphärischen Ausgangswellen 70, 72 und 74 in der Auswerteeinrichtung 49 als Kalibriermessdaten abgespeichert.
Bei der darauf folgenden Vermessung der optischen Oberfläche 12 des Prüflings 14 mittels der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 werden die dabei gewonnen Messdaten unter Berücksichtigung der abgespeicherten Kalibriermessdaten von der Auswerteeinrichtung 49 ausgewertet. Aufgrund der Berücksichtigung der bei der Vermessung der sphärischen Ausgangswellen 70, 72 und 74 gewonnenen Kalibriermessdaten können Fertigungsfehler des diffraktiven optischen Elements 50 im Messergebnis der optischen Oberfläche 12 korrigiert werden, wodurch die Form der optischen Oberfläche 12 mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden kann.
Auf eine explizite Vermessung von Verzeichnungsfehlern des diffraktiven Strukturmusters 54 kann damit verzichtet werden. Die Möglichkeit, die Formvermessung der optischen Oberfläche 12 mit drei sphärischen Wellen zu kalibrieren, ermöglicht es, ein besseres Fehlerbudget zu erreichen. Dies liegt insbesondere daran, dass Form- oder Profilabweichungen des diffraktiven Strukturmusters 54 in den sphärischen Ausgangswellen 70, 72 und 74 und der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 sehr ähnliche Abweichungen erzeugen. Diese Form- oder Profilabweichungen sind damit großteils kalibrierbar.
Das vom diffraktiven Strukturmuster 54 in der Ausführungsform gemäß 8 gebildete Beugungsgitter ist derart konfiguriert, dass eine innerhalb einer quadratischen Messfläche des Beugungsgitters mit 1 mm Kantenlänge über jede beliebige quadratische Teilfläche mit 50 μm Kantenlänge gemittelte Streifendichte der Gitterlinien eine Variation aufweist, die sich über eine Spanne von weniger als 20 Linienpaaren pro Millimeter erstreckt.
Die Variation der Streifendichte der Gitterlinien kann beispielsweise, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 12 erläutert, ermittelt werden. Das diffraktive Strukturmuster 54, welches auf dem Substrat 52 des diffraktiven optischen Elements 50 angeordnet ist und gemäß einer Ausführungsform eine kreisförmige Gestalt mit einem Durchmesser von etwa 500 mm aufweist, wird in einzelne quadratische Messflächen MF mit jeweils einer Seitenlänge von 1 mm unterteilt. Die Messflächen MF wiederum werden in einzelne quadratische Teilflächen TF mit einer jeweiligen Seitenlänge von 50 μm unterteilt.
Innerhalb der quadratischen Teilflächen TF wird entlang jeder Gitterlinie GL an Messpunkten i, welche jeweils 1 μm voneinander beabstandet sind, ein jeweiliger Periodenabstand d_i ermittelt. Der Periodenabstand d_i ergibt sich aus der Summe der Breite der Gitterlinie GL am Messpunkt i und der Breite des daran an einer Seite angrenzenden Zwischenraums zur nächsten Gitterlinie. Die gemessenen Periodenabstände d_i werden in Streifendichtewerte D_i durch Kehrwertbildung umgewandelt. Die so gewonnen Werte für die Streifendichte D_i werden über alle Messorte i aller Gitterlinien GL innerhalb der betreffenden Teilfläche TF gemittelt.
Dies erfolgt für alle Teilflächen TF innerhalb der quadratischen Messfläche MF, d. h. für 400 Teilflächen. Damit wird für jede Teilfläche TF innerhalb der Messfläche MF eine gemittelte Streifendichte D_M bestimmt. Gemäß der vorstehenden Spezifikation weist die Variation der gemittelten Streifendichten D_M für die einzelnen Teilflächen TS eine Spanne von weniger als 20 Linienpaaren pro Millimeter auf. Damit variieren die für die verschiedenen Teilflächen TF innerhalb der Messfläche MF ermittelten gemittelten Streifendichten D_M um weniger als 20 Linienpaare pro Millimeter. Liegt beispielsweise die Streifendichte D_M im Mittel über alle Teilflächen TF bei 200 Linien pro Millimeter, darf die Streifendichte gemäß der obigen Spezifikation maximal innerhalb des Bereichs zwischen 190 und 210 Linien pro Millimeter variieren.
Die 13 und 14 veranschaulichen eine weitere Eigenschaft des diffraktiven Strukturmusters 54 in der Ausführungsform gemäß 8. Dabei zeigt 13 einen quadratischen Ausschnitt mit 50 μm Kantenlänge des durch das diffraktive Strukturmuster 54 gebildeten Beugungsgitters und 14 den Ausschnitt A aus 13, in dem eine der Gitterlinien GL enthalten ist.
Das in 13 dargestellte Beugungsgitter weist einen mittleren Periodenabstand p auf, der durch einen über das Beugungsgitter gemittelten Mittenabstand zwischen jeweils benachbarten Gitterlinien GL bestimmt wird. Auch kann der mittlere Periodenabstand durch Mittelung der vorstehend unter Bezugnahme auf 12 beschriebenen ermittelten Periodenabstände d_i bestimmt werden.
Die Gitterlinien GL weisen eine wellenartige Form auf und zwar derart, dass eine mittlere Wellenperiode λ der Gitterlinien im Bereich zwischen dem 3-fachen und dem 20-fachen des mittleren Periodenabstandes d des Beugungsgitters liegt. Weiterhin weisen die Gitterlinien GL quer zu ihrer Längserstreckung eine Variation über eine Spanne Δ auf, die im Bereich zwischen dem 0,1-fachen und dem 3-fachen des mittleren Periodenabstandes p des Beugungsgitters liegt.
Die Spanne Δ kann, wie in 14 veranschaulicht, entweder bestimmt werden, indem die Randbegrenzungen der entsprechenden Gitterlinie GL mit geraden Begrenzungslinien 76 angenähert werden und die Abweichungen der Gitterlinie GL am Wellenberg sowie am Wellental in Bezug auf die entsprechend angenäherte Begrenzungslinie 76 bestimmt wird. Die Summe dieser Abweichungen, d. h. die Summe aus der Abweichung δ1 am Wellenberg und der Abweichung δ2 am Wellental, ergeben die Spanne Δ der Variation. Die Spanne Δ kann aber auch bestimmt werden, indem eine gerade Hilfslinie 78 von einer Seite her an die Gitterlinie heran geschoben wird, bis diese an der Gitterlinie GL angrenzt. Der maximale Abstand zwischen der Randbegrenzung der Gitterlinie GL und der Hilfslinie 78 entspricht dann ebenfalls der Spanne Δ.
Die 15 und 16 zeigen Darstellungen von Ausgangswellen im Richtungsraum, die von weiteren Ausführungsformen des diffraktiven Streifenmusters 54 erzeugt werden. In beiden Ausführungsformen werden aus der Eingangswelle 42 durch Beugung an dem Streifenmuster 54 neben der zentral angeordneten nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 vier weitere separate sphärische Ausgangswellen 70, 72, 74 und 80 erzeugt. Dabei sind die sphärischen Ausgangswellen 70, 72, 74 und 80 so angeordnet, dass sie nicht symmetrisch um die nicht-sphärische Ausgangswelle legen, d. h. der jeweilige „Platz” gegenüber, der durch jeweilige Punktspiegelung an der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 in der Darstellungsebene im Richtungsraum definiert ist, bleibt frei. Mit anderen Worten sind jeweilige mittlere Ausbreitungsrichtungen der sphärischen Ausgangswellen 70, 72, 74 und 80 paarweise jeweils nicht zueinander symmetrisch in Bezug auf eine durch die mittlere Ausbreitungsrichtung der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 definierte Achse angeordnet.
In der Ausführungsform gemäß 15 sind die sphärischen Ausgangswellen 80 und 70 in der Darstellungsebene im Richtungsraum symmetrisch zu den sphärischen Ausgangswellen 72 und 74 in Bezug auf quer zur Ausbreitungsrichtung der nicht-sphärischen Ausgangswelle 56 angeordneten Symmetrieachse angeordnet. In der Ausführungsform gemäß 16 fehlt diese Symmetrie, jedoch sind die nicht sphärischen Ausgangswellen 70 und 74 sowie 72 und 76 in der Darstellungsebene im Richtungsraum jeweils auf einer durch die nicht-sphärische Ausgangswelle 56 verlaufenden Geraden angeordnet.
Die Verwendung von vier sphärischen Ausgangswellen ermöglicht es, bei der Kalibrierung der Formmessung der optischen Oberfläche 12 des optischen Elements 14 aufgrund eines gegenüber der Verwendung von lediglich drei sphärischen Ausgangswellen zusätzlichen Freiheitsgrades eine Konfiguration aufzufinden, bei der die Sensitivität auf Gitterstörung minimiert ist.
Gemäß einer Ausführungsvariante der diffraktiven optischen Elemente 50 in einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden die diffraktiven Strukturmuster 54 als mehrstufige Phasengitter ausgeführt, wie in 17 am Beispiel des Phasenmusters f_G aus 10 veranschaulicht. Unter einem mehrstufigen Phasengitter ist, wie dem Fachmann geläufig, ein Phasengitter zu verstehen, welches zwischen der obersten und der untersten Stufe mindestens eine Zwischenstufe aufweist. Damit weist ein derartiges Phasengitter mindestens drei Stufen auf, in der in 17 gezeigten Ausführungsform sind vier Stufen vorgesehen. Die Verwendung von mehrstufigen Phasengitter ermöglicht es, einen durch die vorgenommene komplexe Kodierung bewirkten Beugungseffizienzverlust wieder zumindest teilweise auszugleichen bzw. sogar überzukompensieren.
Die 18 und 19 veranschaulichen eine Ausführungsform eines nach der Erfindung hergestellten optischen Elements 14 in Gestalt einer Linse oder eines Spiegels, insbesondere eines Spiegels für eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage. Das optische Element 14 weist eine als Freiformfläche gestaltete optische Oberfläche 12 auf. Bei der Herstellung wurde die optische Oberfläche 12 des optischen Elements 14 zunächst entsprechend der Produktionsgenauigkeit an eine vorgegebene Sollform in Gestalt einer Freiformfläche angenähert. Die angenäherte Oberfläche 12 wurde daraufhin mittels der interferometrischen Messvorrichtung 10 unter Verwendung des diffraktiven optischen Elements 50 in einer der erfindungsgemäßen Ausführungsformen vermessen und damit deren Abweichung von der Sollform mit hoher Genauigkeit bestimmt. Auf Grundlage des Messergebnisses wurde die Oberfläche 12 an geeigneten Stellen nachbearbeitet, sodass diese die nachstehend angegebenen Spezifikationen aufweist.
Aus der das optische Element 14 in Draufsicht zeigenden 18 ist der Durchmesser d der optischen Oberfläche 12, welche in etwa kreisförmig ist, ersichtlich. Der Durchmesser d beträgt in der dargestellten Ausführungsform etwa 600 mm. 19 zeigt das optische Element 14 schematisch im Querschnitt entlang einer Achse 80 des optischen Elements 14. Die Achse 80 ist die Rotationsachse einer an eine Sollform 84 der optischen Oberfläche 12 bestangepassten rotationssymmetrischen Asphäre 82 und in der Zeichnung in z-Richtung angeordnet. Wie bereits vorstehend erwähnt, weist die Sollform 64 die Gestalt einer Freiformfläche auf und ist damit nicht rotationssymmetrisch. Die in 19 gezeigten Abweichungen der optischen Oberfläche 12 von der Sollform 84 sind zu Veranschaulichungszwecken stark vergrößert und schematisiert dargestellt.
Die maximale Abweichung Δ der Sollform 84 von der bestangepassten rotationssymmetrischen Asphäre 82 beträgt in der vorliegenden Ausführungsform etwa 6 μm und ist damit größer als 5 μm. Die Abweichung der tatsächlichen Form der optischen Oberfläche 12 von der Sollfrom 84 wird durch eine zweidimensionale Abweichung D(x, y) beschrieben, wobei x und y die Koordinaten auf der Oberfläche 12 bezeichnen. Die Abweichungen in D(x, y), welche auf Oszillationen mit Schwingungswellenlängen zwischen d/100, also etwa 5 mm, und d/5, also etwa 100 mm zurückgehen, betragen höchstens 0,05 nm.
Wird die Abweichung D(x, y) mittels Fourier-Transformation vom Ortsraum in den Frequenzraum umgerechnet, so erhält man die Funktion d(v), wobei v die Frequenz bezeichnet. Die Amplituden der Funktion d(v) im Bereich zwischen den Frequenzen, die den Grenzwerten des vorstehend angegebenen Schwingungswellenlängenbereichs entsprechen, betragen damit höchstens 0,05 nm.
Bezugszeichenliste

10: interferometrische Messvorrichtung
12: optische Oberfläche
14: optisches Element
16: Interferometer
18: Lichtquelle
20: Beleuchtungsstrahlen
21: Laser
22: Laserstrahl
24: Fokussierlinse
26: Blende
28: divergenter Strahl
30: Linsengruppe
32: optische Achse
34: Strahlteiler
36: Fizeau-Element
38: Fizeau-Fläche
40: Referenzwelle
42: Eingangswelle
44: ebene Wellenfront
45: Interferometerkamera
46: Objektivsystem
47: Erfassungsfläche
48: Kamerachip
49: Auswerteeinrichtung
50: diffraktives optisches Element
52: Substrat
54: diffraktives Strukturmuster
56: nicht-sphärische Ausgangswelle
58: sphärische Ausgangswelle
60_x ⁺¹: ebene Ausgangswelle
60_x ^–1: ebene Ausgangswelle
60_y ⁺¹: ebene Ausgangswelle
60_y ^–1: ebene Ausgangswelle
62: Kalibriersphäre
64: Planspiegel
66: rücklaufende Messwelle
70: sphärische Ausgangswelle
72: sphärische Ausgangswelle
74: sphärische Ausgangswelle
76: angenäherte gerade Begrenzungslinie
78: gerade Hilfslinie
80: Rotationsachse
82: bestangepasste rotationssymmetrische Asphäre
84: Sollform

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0177321 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Donald C. O'Shea et. al. „Diffractive optics: design, fabrication, and test”, 2004, The Society of Photo-Opitcal Instrumentation Engineers, Seiten 29 bis 35 [0028]
H. Kleemann et. al., „Combinqation of blazed and laterally blazed structures”, Diffractive Optics and Micro-Optics, OSA Technical Digest (Optical Society of America), paper DTuC7, 2004 [0028]

Claims

Diffraktives optisches Element (50) mit einem Substrat (52) sowie einem darauf angeordneten diffraktiven Strukturmuster (54), wobei das diffraktive Strukturmuster dazu konfiguriert ist, eine eingestrahlte ebene oder sphärische Eingangswelle (42) in mindestens vier separate Ausgangswellen umzuwandeln, wobei mindestens eine der Ausgangswellen eine nicht-sphärische Welle (56), mindestens eine weitere der Ausgangswellen eine sphärische Welle (58; 70) und mindestens zwei weitere der Ausgangswellen jeweils eine ebene Welle (60) oder eine sphärische Welle (72, 74) sind.
Diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, bei dem das diffraktive Strukturmuster (54) derart konfiguriert ist, dass die mindestens zwei weiteren Ausgangswellen ebene Wellen (60 _x ⁺¹, 60 _x ^–1; 60 _y ⁺¹, 60 _y ^–1) sind, deren Ausbreitungsrichtungen in Bezug auf eine Einfallsrichtung der Eingangswelle (42) zueinander symmetrisch sind.
Diffraktives optisches Element nach Anspruch 2, bei dem das diffraktive Strukturmuster (54) derart konfiguriert ist, dass die separaten Ausgangswellen neben den, ein erstes Wellenpaar bildenden, zwei ebenen Ausgangswellen (60 _x ⁺¹, 60 _x ^–1) zwei weitere ebene Wellen in Gestalt eines zweiten Wellenpaares (60 _y ⁺¹, 60 _y ^–1) aufweisen, deren Ausbreitungsrichtungen in Bezug auf die Einfallsrichtung der Eingangswelle (42) ebenfalls zueinander symmetrisch sind, wobei eine durch die Ausbreitungsrichtungen des ersten Wellenpaares aufgespannte Ebene von der durch die Ausbreitungsrichtungen des zweiten Wellenpaares aufgespannte Ebene abweicht.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem an jedem Punkt i des diffraktiven Strukturmusters (54) ein Winkel α_i durch den Winkel zwischen einem ersten Differenzvektor und einem zweiten Differenzvektor definiert ist, wobei der erste Differenzvektor durch die Differenz aus dem vom Punkt i ausgehenden Wellenvektor der nicht-sphärischen Welle und dem Wellenvektor der am Punkt i eingehenden Eingangswelle und der zweite Differenzvektor durch die Differenz aus dem vom Punkt i ausgehenden Wellenvektor der mindestens einen sphärischen Welle und dem Wellenvektor der am Punkt i eingehenden Eingangswelle definiert ist, und das Strukturmuster (54) derart konfiguriert ist, dass der über die Punkte i des diffraktiven Strukturmusters gemittelte Betrag des Winkels α_i in Projektion auf eine zum Strukturmuster parallele Ebene größer als 5° ist.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Beugungseffizienz des diffraktiven Strukturmusters (54) zur Erzeugung der nicht-sphärischen Welle (56) mindestens 50% größer ist als die Beugungseffizienz des Strukturmusters zur Erzeugung der mindestens einen sphärischen Welle (58; 70).
Diffraktives optisches Element nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das diffraktive Strukturmuster (54) derart konfiguriert ist, dass die Strahlungsleistung der nicht-sphärischen Ausgangswelle (56) größer ist als die jeweilige Strahlungsleistung der sphärischen (58; 70; 72; 74) oder der ebenen Ausgangswellen (60).
Diffraktives optisches Element nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das diffraktive Strukturmuster (54) derart konfiguriert ist, dass die eingestrahlte Eingangswelle (42) in mindestens fünf separate Ausgangswellen umgewandelt wird, wobei vier der Ausgangswellen als sphärische Wellen ausgebildet (70, 72, 74, 80) sind.
Diffraktives optisches Element nach Anspruch 7, wobei die Ausgangswellen jeweilige mittlere Ausbreitungsrichtungen aufweisen, welche zueinander derart orientiert sind, dass die mittleren Ausbreitungsrichtungen der vier sphärischen Ausgangswellen (70, 72, 74, 80) paarweise jeweils nicht zueinander symmetrisch in Bezug auf eine durch die mittlere Ausbreitungsrichtung der nicht-sphärischen Ausgangswelle (56) definierte Achse angeordnet sind.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das diffraktive Strukturmuster (54) ein mehrstufiges Phasengitter umfasst.
Diffraktives optisches Element (50) mit einem Substrat (52) sowie einem darauf angeordneten Beugungsgitter (54), welches zueinander beabstandet angeordnete Gitterlinien (GL) aufweist, wobei ein mittlerer Periodenabstand (p) des Beugungsgitters durch einen über das Beugungsgitter gemittelten Mittenabstand zwischen jeweils benachbarten Gitterlinien bestimmt ist und die Gitterlinien eine wellenartige Form aufweisen, derart dass eine mittlere Wellenperiode der Gitterlinien im Bereich zwischen dem 3-fachen und dem 20-fachen des mittleren Periodenabstandes des Beugungsgitters liegt und eine Variation der Gitterlinien quer zu ihrer Längserstreckung eine Spanne (Δ) aufweist, die im Bereich zwischen dem 0,1-fachen und dem 3-fachen des mittleren Periodenabstandes des Beugungsgitters liegt.
Diffraktives optisches Element nach Anspruch 10, bei dem das Beugungsgitter (54) mindestens 20% des Substrats (52) bedeckt.
Diffraktives optisches Element nach Anspruch 10 oder 11, bei dem mindestens 90% der Gitterlinien (GL) des Beugungsgitters (54) als durchgehende Linien ausgeführt sind, welche sich zwischen Randbereichen des Beugungsgitters ohne Unterbrechung erstrecken.
Diffraktives optisches Element nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Beugungsgitter (54) derart konfiguriert ist, dass eine innerhalb einer quadratischen Messfläche (MF) des Beugungsgitters mit 1 mm Kantenlänge über jede beliebige quadratische Teilfläche (TF) mit 50 μm Kantenlänge gemittelte Streifendichte der Gitterlinien eine Variation aufweist, die sich über eine Spanne von weniger als 20 Linienpaaren/mm erstreckt.
Diffraktives optisches Element (50) mit einem Substrat (52) sowie einem darauf angeordneten diffraktiven Strukturmuster (54), wobei das diffraktive Strukturmuster derart konfiguriert ist, dass eine eingestrahlte ebene oder sphärische Eingangswelle (42) vom Strukturmuster in mindestens drei separate Ausgangswellen (70, 72, 74) mit jeweils einer sphärischen Wellenfront umgewandelt wird.
Verfahren zum Bestimmen einer Abweichung einer tatsächlichen Form von einer Sollform einer optischen Oberfläche (12) eines optischen Elements (14) mit den Schritten: – Erzeugen einer ebenen oder sphärischen Eingangswelle (42), – Anordnen eines diffraktiven optischen Elements (50) im Strahlengang der Eingangswelle und Umwandeln der Eingangswelle (42) in mindestens vier separate Ausgangswellen durch Wechselwirkung mit dem diffraktiven optischen Element, wobei mindestens eine der Ausgangswellen eine an die Sollform (84) der optischen Oberfläche angepasste Messwelle (56) mit nicht-sphärischer Wellenfront, mindestens eine weitere der Ausgangswellen eine Kalibrierwelle (58; 70) mit sphärischer Wellenfront und mindestens zwei weitere der Ausgangswellen Kalibrierwellen (60; 72, 74) mit jeweils einer ebenen oder einer sphärischen Wellenfront sind, – Bestimmen von Kalibrierkorrekturen des diffraktiven optischen Elements (50) mittels der Kalibrierwellen, – Anordnen der optischen Oberfläche (12) im Strahlengang der angepassten Welle und Messen der Wellenfront der angepassten Welle nach Wechselwirkung mit der optischen Oberfläche, sowie – Korrigieren der gemessenen Wellenfront mittels der bestimmten Kalibrierkorrekturen.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements (14) mit den Schritten: – Fertigen des optischen Elements (14) mit einer optischen Oberfläche (12), welche einen Durchmesser von größer als 500 mm aufweist, – Interferometrisches Vermessen einer tatsächlichen Form der optischen Oberfläche in Bezug auf eine Sollform (84) unter Verwendung lediglich eines diffraktiven optischen Elements (50) derart genau, dass Abweichungen der tatsächlichen Form von der Sollform, welche auf Oszillationen mit Schwingungswellenlängen zwischen d/100 und d/5 zurückgehen, mit einer Genauigkeit von 0,05 nm bestimmt werden, wobei die Sollform (84) eine Freiformfläche ist, welche eine Abweichung von jeder rotationssymmetrischen Asphäre von mehr als 5 μm aufweist, sowie – Anpassen der optischen Oberfläche (12) an die Sollform (84) durch mechanisches Bearbeiten der optischen Oberfläche auf Grundlage des interferometrischen Messergebnisses.
Optisches Element (14) mit einer optischen Oberfläche (12), welche einen Durchmesser d von größer als 500 mm aufweist, wobei: – eine tatsächliche Form der optischen Oberfläche (12) derart an eine Sollform (84) angepasst ist, dass Abweichungen der tatsächlichen Form von der Sollform, welche auf Oszillationen mit Schwingungswellenlängen zwischen d/100 und d/5 zurückgehen, höchstens 0,05 nm betragen, und – die Sollform (84) eine Freiformoberfläche ist, welche eine Abweichung von jeder rotationssymmetrischen Asphäre von mehr als 5 μm aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 17, bei dem die Sollform (84) eine Abweichung von jeder Sphäre von mindestens 1 mm aufweist.